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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

1 Einleitung Die

1 Einleitung Die Datenspeicherentwicklung der letzten Jahrzehnte war durch die stetig zunehmende Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen geprägt. Der wachsende Anspruch an die Herstellungstechnologie zur Realisierung von Strukturen bis in den sub-100 nm-Bereich trieb die Entwicklung neuartiger Strukturierungsverfahren voran. Dabei war und ist das Auflösungsvermögen von Lithographieprozessen, welche zur Definition lateraler Strukturgrößen eingesetzt werden, von großer Bedeutung. Die Steigerung der Performance optischer Lithographieverfahren wurde maßgeblich durch die Weiterentwicklung von Lichtquellen und optischen Systemen bestimmt. Komplexe Linsen- und Spiegelanordnungen sowie die Verwendung monochromatischen Lichts machen es heutzutage möglich, Transistoren mit Gatelängen von 45 nm kommerziell zu fertigen. Doch bringen jene hochkomplexen Lithographieverfahren zugleich enorme Kosten mit sich, welche auch bei der Weiterentwicklung optischer Systeme eher steigen. Abhilfe können alternative Strukturierungsmethoden schaffen. Die Nanoimprint-Lithographie, ein Stempelverfahren, in welchem durch mechanische Deformation von speziellen Lacken eine Strukturübertragung auf den Substrat-Wafer stattfindet, wird oft als Prinzip der Zukunft angesehen. Das Potential der Herstellung von Strukturen im sub-10 nm-Bereich mit hohem Durchsatz und vor allem der wirtschaftliche Vorteil gegenüber optischen Verfahren – es werden keine komplexen Linsen oder ähnliches benötigt – verschaffen der Nanoimprint-Lithographie ihre enorme Attraktivität. Neben dem Vorantreiben der Herstellungstechnologien bildet die Weiterentwicklung von Speichermaterialien und -konzepten eine wesentliche Säule gegenwärtiger Forschungsaktivitäten. Dabei ist nicht nur die Erweiterung CMOS-basierter Architekturen, sondern gleichermaßen die Realisierung neuartiger Speicherkonzepte, welche auf anderen, physikalischen Prinzipien beruhen, von großem Interesse. Derzeitige Speicherbauteile, die auf DRAM- oder Flash-Technologie basieren, stoßen mit fortschreitender Miniaturisierung an ihre physikalischen Grenzen. Die Entwicklung gut skalierbarer resistiver Speicher, kurz RRAM, gewinnt damit zunehmend an Bedeutung. Der Kern des RRAM besteht aus einem Material, welches zwischen zwei nichtflüchtigen Widerstandszuständen durch das Anlegen elektrischer Spannungen (resistiv) geschaltet werden kann. Diesen Widerstandszuständen werden die logischen 9

1 EINLEITUNG Werte „1“ und „0“ zugeordnet, wodurch ein binärer Speicher entsteht. Das große Potential des RRAM liegt in dessen Skalierbarkeit sowie der geringen Leistungsaufnahme. Es können demzufolge sehr kleine Bauelemente (< 20 nm) mit niedrigem Verbrauch realisiert werden. Ferner besteht die Möglichkeit, resistive Speicherelemente in Crossbar-Array-Architekturen anzuordnen, welche eine hohe Integrationsdichte sowie Defekttoleranz bieten. Durch die Kombination neuer Herstellungs- und Speichertechnologien wird die Fortsetzung der rasanten Speicherentwicklung letzter Jahrzehnte vorstellbar. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Technologieplattform auf Basis der Nanoimprint- Lithographie zu entwickeln, mit der resistive Speicherkonzepte umgesetzt werden können. Dabei liegt der Fokus zunächst auf der Herstellung von Crossbar-Strukturen, die für die Integration sämtlicher resistiv schaltender Materialien geeignet sind. Ein weiteres Ziel ist die Charakterisierung resistiv schaltender Zellen in Hinblick auf die Anwendung als Speicherbauteile. Die Arbeit gliedert sich in acht Kapitel, wobei die beiden folgenden auf die Lithographie- und Speicherentwicklung der letzten Jahrzehnte sowie die Grundlagen des RRAM eingehen. Kapitel vier beschreibt die Entwicklung der verwendeten Herstellungstechnologien. Der Fokus ist hierbei auf die Einführung einer (in Jülich) neuen Imprint-Lithographie zur lateralen Strukturierung und auf die Erweiterung von Trockenätzverfahren für die vertikale Strukturierung gerichtet. Kapitel fünf beschreibt die Herstellung von Crossbar-Architekturen, welche im Wesentlichen die Realisierung von Bottom- und Top-Elektroden sowie einer Alignment-Prozedur für das Ausrichten mehrerer vertikal geschichteter Strukturen umschließt. Kapitel sechs umfasst die Integration und die elektrische Charakterisierung von resistiv schaltendem Methyl-Silsesquioxan (MSQ) in Kombination mit Silber auf Basis der entwickelten Crossbar-Plattform. Es wird die Performance des neu entdeckten Materialsystems in Hinblick auf die Anwendung als zukünftiges Speichersystem untersucht. In Kapitel sieben wird ein Mehrlagen-Konzept vorgestellt, welches die Grundlage zur Steigerung der Integrationsdichte Crossbar-basierter Architekturen bietet. Es wird ein dreidimensionales Speicher-Konzept gezeigt, welches die vertikale Schichtung von Ag- MSQ-Zellen umfasst. In Kapitel acht werden die erzielten Ergebnisse der Arbeit abschließend zusammengefasst und ein Ausblick auf zukünftige Arbeiten gegeben. 10